基于勵(lì)磁支路非線性特性的變壓器保護(hù)新原理的研究

1、1 姓名： 焦邵麟導(dǎo)師： 劉萬(wàn)順 教授副導(dǎo)師：肖仕武2005310 2論文選題的意義1、大型變壓器在高壓電網(wǎng)中發(fā)揮著樞紐作用。2、變壓器保護(hù)正確動(dòng)作率比較低（2003，220kv及以上變壓器保護(hù)共動(dòng)作206次，正確動(dòng)作157次，不正確動(dòng)作49次（誤動(dòng)49次，拒動(dòng)0次），正確動(dòng)作率為76.21 % ）。3、更高性能的變壓器保護(hù)原理的研究具有重要的理論意義和實(shí)踐意義，能更好的為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。3一 、理論研究部分新型勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)的研究基于等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感識(shí)別勵(lì)磁涌流基于波形相關(guān)度識(shí)別勵(lì)磁涌流新型變壓器主判據(jù)的研究基于全電流波形相關(guān)性主判據(jù)基于故障分量波形相關(guān)性主判據(jù)二 、試驗(yàn)環(huán)

2、節(jié)保護(hù)樣機(jī)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試論文的主要工作41、現(xiàn)有識(shí)別勵(lì)磁涌流判據(jù)的歸總1 利用電流波形的特征進(jìn)行識(shí)別 二次諧波制動(dòng)，間斷角原理，波形對(duì)稱原理，波形擬合 原理，波形相關(guān)性分析等2 綜合利用電流、電壓信息量進(jìn)行識(shí)別 磁通特性，勵(lì)磁電感的時(shí)間特性，差有功等 3 等值電路參數(shù)識(shí)別法 4 利用非線性數(shù)學(xué)工具 如模糊理論，小波，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一 理論研究部分52.1 基于等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感時(shí)域特性識(shí)別勵(lì)磁涌流的研究其原邊繞組回路方程為 dtdirdtdiLirumm11111雙繞組變壓器T型等效模型dtdiLdtdididdtdmmmm*mL等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感的定義：從原邊繞組端口看進(jìn)去的瞬時(shí)電感

3、2 新型勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)的研究6dtdiLriu空載合閘發(fā)生涌流與內(nèi)部故障時(shí)變壓器統(tǒng)一方程式采用在k時(shí)刻和k+1時(shí)刻的電流和電壓的瞬時(shí)值得到兩個(gè)不相關(guān)的方程式，聯(lián)立求解得：)2()()1()1()1(2)(2)()1()1()(*2kkkkkkkkkkiiiiiiiuiuTLT為采樣周期。 7鐵芯嚴(yán)重飽和時(shí) 接近空心電感值。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非鐵磁材料的磁導(dǎo)率，即 ，所以有 。coreaircoreairLLa irL 下圖給出了一般的 及 關(guān)系曲線，mimmLi8 變壓器的勵(lì)磁涌流是變壓器鐵芯飽和所致。當(dāng)變壓器發(fā)生勵(lì)磁涌流時(shí)，其鐵心將交替經(jīng)歷飽和與非飽和過(guò)程，勵(lì)磁電感 L 的瞬時(shí)值

4、將隨勵(lì)磁涌流瞬時(shí)值 的變化發(fā)生較大變化。i變壓器空載合閘和內(nèi)部短路的勵(lì)磁特性曲線涌流時(shí)瞬時(shí)勵(lì)磁電感波形9基于等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感時(shí)域特性的判據(jù)思路：由基本原理分析可知，在差流出現(xiàn)間斷時(shí)，鐵芯沒(méi)有飽和，等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感值較大，而匝間短路時(shí)，等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感值較小。利用這個(gè)規(guī)律，可以用一個(gè)較低的電流門檻截取電流采樣值接近零的部分，計(jì)算出這部分電流對(duì)應(yīng)的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感平均值。 11( )MavriLL iM 將平均等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感與門檻值比較，若大于門檻值，則判為勵(lì)磁涌流，閉鎖保護(hù)；反之，保護(hù)出口動(dòng)作。 10判 別 方 案 （A A）空投涌流）空投涌流0.000.010.020.030.0402000

5、40006000800010000mkI差流間時(shí)0.000.010.020.030.040102030405060勵(lì)磁電感（B B）匝間短路）匝間短路0.000.010.020.030.04-5000-4000-3000-2000-10000100020003000mkI差流間時(shí)0.000.010.020.030.04024勵(lì)磁電感平均等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感求解示意圖識(shí)別勵(lì)磁涌流判據(jù)為： avrmkavrmkLLLL勵(lì)磁涌流匝間短路 電流門檻的選取（動(dòng)態(tài)定值）120%mkII1I為電流基波有效值勵(lì)磁電感門檻的選?。▌?dòng)態(tài)定值）30%mkwtLL11判別方案的仿真驗(yàn)證 EMTP的仿真結(jié)果 EMTP仿真用

6、的變壓器為D/Yn-11接線，穩(wěn)態(tài)時(shí)A、B、C三相的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感分別為4.426H、4.371H和4.494H。門檻值(30%)分別為1.328H、1.311H和1.347H。 以空投涌流和角側(cè)A相匝間短路為例12avrLavrL實(shí)驗(yàn)類型平均勵(lì)磁電感(單位H)A B C實(shí)驗(yàn)類型平均勵(lì)磁電感(單位H)A B C10度空投9.5944.7266.8795匝間0.0114.4010.00840度空投6.52910.017.94210匝間0.005244.3710.003870度空投4.75066.8669.590650匝間0.000644.3700.0004100度空投10.0067.956.5

7、71空投于5匝間0.1067.84650.0482130度空投6.85339.5874.7762空投于10匝間0.004846.44940.0024160度空投7.97346.61410.006空投于50匝間0.000547.04170.0004190度空投9.5844.8036.841 13TEQSIM的仿真結(jié)果 avrLavrL實(shí) 驗(yàn) 類型平均勵(lì)磁電感(單位H)A B C實(shí) 驗(yàn) 類型 平均勵(lì)磁電感(單位H)A B C0度空投0.89953.02592.3908120度空投1.04640.82541.946730度空投0.79822.39372.8843150度空投1.61080.57792

8、.606060度空投0.83651.88622.1028180度空投1.52610.95992.105390度空投1.65111.64071.9253 穩(wěn)態(tài)時(shí)A、B、C三相的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感分別為1.58H、1.767H和1.837H。門檻值分別為0.474H、0.53H和0.551H。 空投涌流143.5匝間（16匝）0.15840.4714010.5匝間（48匝）0.08480.15740.07匝間（32匝）0.03580.20411.2514匝間（64匝）0.12760.24270.0空投3.5匝間（16匝）0.09870.2001.126空投10.5匝間（48匝）0.19710.361

9、2.996空投7匝間（32匝）0.0980.2641.450空投14匝間（64匝）0.06970.1281.595角側(cè)A相發(fā)生匝間短路 空投于角側(cè)A相發(fā)生匝間短路 15用一個(gè)較低的電流門檻截取電流采樣值接近零的部分，計(jì)算出這部分電流對(duì)應(yīng)的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感平均值 。 avr lL11( )Mavr liLL iM用一個(gè)較高的電流門檻截取電流采樣值接近峰值的部分，計(jì)算出這部分電流對(duì)應(yīng)的等效瞬時(shí)勵(lì)磁電感平均值 。avr hL11( )Navr hiLL iN改進(jìn)型判據(jù)avr havr LLKL16勵(lì)磁涌流時(shí)，比例系數(shù)K值較小，接近于0。而內(nèi)部故障時(shí)，比例系數(shù)較大，接近于1。 （A A）空投涌流）空投

10、涌流（B B）匝間短路）匝間短路0.000.010.020.030.040200040006000800010000hIlI差流間時(shí)0.000.010.020.030.040102030405060勵(lì)磁電感0.000.010.020.030.04-5000-4000-3000-2000-10000100020003000hIlI差流間時(shí)0.000.010.020.030.04024勵(lì)磁電感17識(shí)別勵(lì)磁涌流判據(jù)為： mkmkKKKK勵(lì)磁涌流匝間短路 電流門檻的選?。?120%lII 170%hII 比例系數(shù)K0.6mkK18改進(jìn)型方案的仿真驗(yàn)證 EMTP的仿真結(jié)果 空投涌流KK實(shí)驗(yàn)類型勵(lì)磁電感比

11、值系數(shù)A B C實(shí)驗(yàn)類型勵(lì)磁電感比值系數(shù)A B C10度空投0.001020.001480.00066130度空投0.000870.000850.0007540度空投0.001610.001410.00046160度空投0.000470.000640.0017670度空投0.000750.000930.00085190度空投0.000840.000760.00082100度空投0.001540.000470.00065 19KK實(shí)驗(yàn)類型勵(lì)磁電感比值系數(shù)A B C實(shí)驗(yàn)類型勵(lì)磁電感比值系數(shù)A B C5匝間0.999470.999960.00046空投于5匝間0.00430.000713.05761

12、0匝間1.000250.999851.00007空投于10匝間79.1620.00078170.01150匝間1.000390.999530.99938空投于50匝間0.907210.00083.0576角側(cè)A相匝間短路和空投的角側(cè)A相匝間短路情況20小結(jié) 上述識(shí)別方法物理意義清晰，通過(guò)勵(lì)磁電感的變化可以識(shí)別勵(lì)磁涌流。在勵(lì)磁涌流時(shí)能夠可靠不動(dòng)作，在故障時(shí)動(dòng)作速度快，靈敏度高，識(shí)別輕微匝間故障的能力強(qiáng)，即使在空投于輕微匝間故障的變壓器，保護(hù)也能很快地動(dòng)作。改進(jìn)型判據(jù)將定值歸一化，整定方便，有利于推廣到實(shí)際應(yīng)用中。 212.2 基于波形相關(guān)度識(shí)別勵(lì)磁涌流的方法思路：對(duì)差分后的差流通過(guò)面積最大原理將

13、波形分為盡量不相關(guān)的兩部分，比較這兩部分的相關(guān)度來(lái)區(qū)分變壓器內(nèi)部故障和勵(lì)磁涌流。 方法一（林）222cov( , )* ( )( ) * ( )x yd yKd xd xcov( , )x y2( )d x2( )d y為波形x，y的協(xié)方差分別為波形x、y的方差 22方法二12211( ) ( )max( ),( )NiNNiix i y iKx iy i用上式所求得的相關(guān)度來(lái)表示某段時(shí)間內(nèi)1N點(diǎn)的兩個(gè)離散信號(hào)和之間的相關(guān)度 。計(jì)算數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)N的取值也可長(zhǎng)可短。當(dāng) 時(shí)，相關(guān)度 ；當(dāng) 時(shí)，相關(guān)度 。1K)()(nynx)()(nynx1K 1K 23對(duì)比驗(yàn)證兩種方法(EMTP)差分處理后的30度空

14、投涌流 波形相關(guān)性原理基于波形對(duì)稱原理，所以波形應(yīng)先進(jìn)行差分處理,去掉非周期分量的影響。0.000.020.040.060.080.100.12-1500-1000-500050010001500200025003000A差分后的差流-6-5-4-3-2-101方法一-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.00方法二0.000.020.040.060.080.10-2000-10000100020003000AB024681012D-0.050.000.050.100.150.200.250.300.35F0.000.020.040.060.080.100.12-150

15、0-1000-50005001000150020002500AB0246810D-0.050.000.050.100.150.20F240.000.020.040.060.080.100.12-600-400-2000200400600A差分后的差流-2.0-1.6-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6方法一0.00.20.40.60.81.0方法二0.000.020.040.060.080.100.12-202AB0.00.20.40.60.81.0D0.00.20.40.60.81.0F0.000.020.040.060.080.100.12-600-400-2000200

16、400600AB-0.8-0.40.00.40.81.21.62.0D0.00.20.40.60.81.0F差分處理后的A相5匝間短路 25基于自適應(yīng)思想的波形相關(guān)性原理的改進(jìn) 對(duì)于間斷角較小的波形，經(jīng)差分處理后，間斷角變得更小且波形呈對(duì)稱趨勢(shì)，增加了識(shí)別的難度，我們引入模糊定值的概念；間斷角較大的波形則不存在這個(gè)問(wèn)題。minmax,KK模糊定值區(qū)域?yàn)槟：ㄖ迪孪?，?dāng) 時(shí)，直接判定為勵(lì)磁涌流。minKminKK為模糊定值上限，當(dāng) 時(shí)，直接判定為內(nèi)部故障。maxKKmaxK26當(dāng) 時(shí)，盲目的判斷容易誤動(dòng)，為了防止誤動(dòng)，我們將延時(shí)t時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)K持續(xù)增大則為內(nèi)部短路；當(dāng)K變小則為勵(lì)磁涌流。mi

17、nmax,KKK小結(jié)：1 綜合考慮方法二的效果比方法一的好，2 恰當(dāng)設(shè)置模糊定值區(qū)域，波形較好的可以快速識(shí)別涌流和短路，3 當(dāng)間斷角較小時(shí)，相關(guān)系數(shù)落在模糊定值區(qū)，通過(guò)延時(shí)判斷，減小了誤動(dòng)的可能性，提高了可靠性。273 新型變壓器主判據(jù)的研究思路： 當(dāng)變壓器區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，變壓器中流過(guò)穿越電流，變壓器每一相的原邊電流和經(jīng)相角、幅值折算后的副邊電流基本一致，相關(guān)度接近1。 變壓器區(qū)內(nèi)異常時(shí)，如空投涌流和匝間短路時(shí)，兩側(cè)電流差異較大，相關(guān)度遠(yuǎn)小于1， 因此，可以通過(guò)兩側(cè)電流相關(guān)度的大小清楚地區(qū)分變壓器區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。3.1 基于相關(guān)度的采樣值差動(dòng)保護(hù)新判據(jù) 28連續(xù)判斷NN點(diǎn)相關(guān)度，計(jì)算相關(guān)度的數(shù)

18、據(jù)窗長(zhǎng)為N 12211() ()max(),()NinNNiix ni y nixniyniNNn, 2 , 1 求取這NN點(diǎn)相關(guān)度的平均值： NNNNnnave1具體判據(jù)：如果 ，則為外部故障。 如果 ，則為內(nèi)部故障。 setavesetave29相位變換方式 方法一 (角變星)對(duì)側(cè) 對(duì)側(cè) )(31)(31)(31icibiaicicicibiaibibicibiaiaia3/)(3/)(3/)(iCiBiCiBiAiBiAiCiA方法二(星變角)對(duì)側(cè) 對(duì)側(cè) iciaicibicibiaibiaiCiCiBiBiAiA 以變壓器外部星型側(cè)線路A相發(fā)生接地短路為例比較兩種變換方法的精度 300

19、.000.020.040.060.080.100.12-15000-10000-50000500010000150002000025000Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.860.880.900.920.940.960.981.00Y Axis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度方法一方法二(精度高)0.000.020.040.060.080.100.12-25000-20000-15000-10000-5000050001000015000Y Axis TitleX

20、Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.800.850.900.951.001.051.10Y Axis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度31仿真驗(yàn)證(相位變化方法二) EMTP仿真結(jié)果區(qū)外故障 A相相關(guān)度B相相關(guān)度C相相關(guān)度A相單相接地0.997580.999590.99654AB兩相接地0.999630.999550.99387AB相間接地0.999560.999560.99960ABC三相接地0.999530.999550.99774A相5匝間短路0.911860.999590.89448A相1

21、0匝間短路0.831410.999590.79251A相50匝間短路0.223560.999590.27121內(nèi)部A相匝間短路0.7set320.000.020.040.060.080.100.12-20000-15000-10000-500005000100001500020000Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.000.020.040.060.080.100.120.700.750.800.850.900.951.00Y Axis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度A相匝間5短路時(shí)變壓器A相原邊電流和折算后的副邊電流波形

22、ABC相電流的相關(guān)系數(shù)誤判為區(qū)外故障，拒動(dòng)33 A相相關(guān)度B相相關(guān)度C相相關(guān)度B相單相接地0.984240.995190.98874BC兩相接地0.991900.953420.97017BC相間短路0.990080.996070.98450TEQSIM仿真結(jié)果區(qū)外故障內(nèi)部A相匝間短路角側(cè)A相8匝間短路0.863260.874370.98039角側(cè)A相16匝間短路0.676420.648730.98390角側(cè)A相32匝間短路0.463520.454610.98849角側(cè)A相48匝間短路0.259940.147000.93532角側(cè)A相64匝間短路0.000270.075380.86229340.

23、040.060.080.100.120.14-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Y Axis TitleX Axis Title ia1 ia20.040.060.080.100.120.140.820.840.860.880.900.920.940.960.981.001.02Y Axis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度A相匝間8匝短路時(shí)變壓器A相原邊電流和折算后的副邊電流波形ABC相電流的相關(guān)系數(shù)誤判為區(qū)外故障，拒動(dòng)353.2 基于故障分量相關(guān)度的變壓器采樣值差動(dòng)保護(hù)新判據(jù) 思路： 當(dāng)變壓器在重負(fù)荷下發(fā)生內(nèi)部輕微匝間短路時(shí)，

24、基于相關(guān)度的變壓器采樣值差動(dòng)的靈敏度是很低的，在這種情況下有可能誤判為區(qū)外故障。 為了增加這種情況下變壓器采樣值差動(dòng)的靈敏度，需要采用故障分量的采樣值進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，這樣就可以去處負(fù)荷電流的影響，增加基于相關(guān)度的變壓器故障分量采樣值差動(dòng)的靈敏度。 36仿真驗(yàn)證 EMTP仿真結(jié)果區(qū)外A相單相接地短路故障0.000.020.040.060.08-16000-14000-12000-10000-8000-6000-4000-20000200040006000Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia20.000.020.040.060.080.20.40.60.81.0Y A

25、xis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度A相匝間5短路故障0.000.020.040.060.08-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0Y Axis TitleX Axis Title A相相關(guān)度 B相相關(guān)度 C相相關(guān)度A相原邊電流和折算后的副邊故障分量電流波形 0.000.020.040.060.080.100.12-5000-4000-3000-2000-1000010002000Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia2370.040.060.080.100.12-0.6-0.4-0.20.00

26、.20.40.60.81.01.21.4Y Axis TitleX Axis Title B H0.040.060.080.100.12-0.20.00.20.40.60.81.0Y Axis TitleX Axis Title B0.040.060.080.100.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10Y Axis TitleX Axis Title dia1 dia20.040.060.080.100.12-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Y Axis TitleX Axis Title BTEQSIM仿真結(jié)果區(qū)外BC相間短路故障A相匝間8匝短路故障A相原邊電流和折算后的副邊故障分量電流波形 38 當(dāng)啟動(dòng)元件啟動(dòng)后，進(jìn)行全電流采樣值的相關(guān)度計(jì)算，當(dāng)相關(guān)度小于定值，則為區(qū)內(nèi)故障或勵(lì)磁涌流，而當(dāng)相關(guān)度大于定值時(shí)，如果盲目的判定為區(qū)外故障，則有誤判的可能，為了增強(qiáng)保護(hù)的可靠性，對(duì)相關(guān)度大于定值的情況再進(jìn)行基于故障分量的相關(guān)度計(jì)算，如果求得的